制作串联稳压电源的步骤与注意事项

交流电压经过整流滤波后，所得到的直流电压虽然脉动程度已经很小，但当电网波动或负载变化时，其直流电压的大小也随之发生变化。为了使输出的直流电压基本保持恒定，需要在滤波电路和负载之间加上稳压电路。

能测量直流稳压电源的相关指标，能正确测试直流稳压电源及其单元电路的基本特性。合理选用直流稳压电源中的整流二极管、滤波电容、稳压二极管等器件。设计和制作串联直流稳压电源，并能通过调试得到正确结果。

任务要求

按测试顺序要求完成所有测试内容，记录测试数据。

测试环境

搭建测试电路，双踪示波器一台，万用表一只。

测试电路

测试电路如图6-13所示。

图6-13　测试电路

测试步骤

（1）试回答图中电路由哪几部分组成？ 并写出各部分对应的元件及作用。

（2）要求该电源的输出电压范围为4～9V，通过计算估值，若Rp为680Ω，选择合适的及R3、R4。（备选电阻分别为15kΩ、5kΩ、500Ω、100Ω）。

（3）按原理图安装实物，根据电路原理进行检测并调试，叙述在调试中出现的问题及解决方案。

（4）测试稳压电路的纹波系数S0。

测试并计算输出电压Uo为5V 及6V 时的纹波系数S0。将输出电压调至指定值，用示波器观察并记录纹波的幅值，将结果填入表6-1中

表6-1　测试结果

（5）测试稳压电路的内阻rn。

要求分别测试输出电压为5V、8V 时的内阻数值，并将结果填入表6-2中。UO为空载时的输出电压，Uo1为接上负载时的输出电压，负载接50Ω/1W 电阻。

表6-2　测试结果

整流滤波电路能将正弦交流电压转换成较为平滑的直流电压，但是，由于输出电压平均值取决于变压器副边电压有效值，因此当电网电压波动时，输出电压平均值将随之产生相应的波动。另外，由于整流滤波电路内阻的存在，当负载变化时，内阻上的电压将产生变化，因此输出电压平均值也将随之产生相反的变化，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载电阻的变化而变化。为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。

稳压管稳压电路输出电流较小，输出电压不可调，不能满足很多场合下的应用。串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定；并且，通过改变反馈网络参数使输出电压可调。

一、串联型稳压电路的工作原理

1.基本调整管电路

在图6-14（a）所示稳压管稳压电路中，负载电流最大变化范围等于稳压管的最大稳定电流和最小稳定电流之差，即IZM-IZ。不难想象，扩大负载电流最简单的方法是：利用晶体管的电流放大作用，将稳压管稳定电路的输出电流放大后，再作为负载电流。电路采用射极输出器形式，因而引入了电压负反馈，可以稳定输出电压，如图6-14（b）所示，常见画法如图6-14（c）所示。

图6-14（b）、（c）所示电路与一般共集电极放大电路有着明显的区别：其工作电源UI不稳定，“输入信号”为稳定电压UZ，并且要求输出电压UO在U 变化或负载电阻RL变化时基本不变。

其稳压原理简述如下。

当电网电压波动引起UI增大，或者负载电阻RL增大时，输出电压UO将随之增大，即晶体管发射极电位UE升髙；稳压管端电压基本不变，即晶体管基极电位UB基本不变，故晶体管的UBE（=UB-UE）减小。导致IB（IE）减小，从而使UO减小。因此可以保持UO基本不变。当UO减小或负载电阻RL减小时，变化与上述过程相反。可见，晶体管的调节作用使UO稳定，所以称晶体管为调整管，称图6-14（b）、（c）所示电路为基本调整管电路。

根据稳压管稳压电路输出电流的分析可知，晶体管基极的最大电流为IZM-IZ。由于晶体管的电流放大作用，因此图6-14（b）所示的最大负载电流为

这也就大大提高了负载电流的调节范围。输出电压为

由上述稳压过程可知，要想使调整管起到调整作用，必须使其工作在放大状态，因此其管压降应大于饱和管压降UCES。换言之，电路应满足UI≥UO+UCES的条件。由于调整管与负载相串联，因此称这类电路为串联型稳压电源；由于调整管工作在线性区，因此称这类电路为线性稳压电源。

图6-14　基本调整管稳压电路

2.具有放大环节的串联型稳压电路

基本调整管稳压电路的输出电压仍然不可调，且输出电压将因UBE的变化而变，稳定性较差。为了使输出电压可调，也为了加深电压负反馈，可在基本调整管稳压电路的基础上引入放大环节。

若同相比例运算电路的输入电压为稳定电压，且比例系数可调，则其输出电压就可调节；同时，为了扩大输出大电流，集成运放输出端加入晶体管，并保持发射极输出形式，就构成了具有放大环节的串联型稳压电路，如图6-15（a）所示。输出电压为

由于集成运放开环差模增益可达80dB以上，电路引入深度电压负反馈，输出电阻趋近于零，因此输出电压相当稳定。图6-15（b）所示为电路的常见画法。

图6-15　具有放大环节的串联型稳压电路

在图6-15（b）所示电路中，晶体管VT 为调整管，电阻R 与稳压管Dz构成基准电压电路，电阻R1、R2和R3为输出电压的采样电路，集成运放作为比较放大电路，如图6-15中所标注。调整管、基准电压电路、取样电路和比较放大电路是串联型稳压电路的基本组成部分。其具体框图如图6-16所示。

图6-16　串联型稳压电路框图

3.稳压原理

假设UO因输入电压波动或负载变化而增大（减小）时，则经采样电路获得的采样电压也增大（减小），而基准电压UZ不变，这一变化趋势送到集成运放A 的反相输入端，并与同相输入端电位UZ进行比较放大；A 的输出电压，即调整管的基级电位降低（升高）；因为电路采用射级输出形式，所以输出电压UO必然降低（升高），从而使UO稳定。这一调节过程可表示为：

或

综上，电路通过引入深度电压负反馈实现了输出电压稳定。

同理，当降低时，通过电路的反馈作用也会使Uo保持基本不变。

【例6-4】电路如图6-15（b）所示，已知输入电压U 的波动范围为±10%，调整管的饱和管压降UCES=2V，输出电压Uo的调节范围为5～20V，R1=R3=200Ω。试问：

（1）稳压管的稳定电压UZ和R2的取值各为多少？

（2）为使调整管正常工作，在电网电压为220V 时，U 的值至少应取多少？

解：（1）输出电压最小值为

最大值为

将UOmin=5V、UOmax=20V、R1=R3=200Ω 代入二式，解二元方程，可得：

（2）所谓调整管正常工作，是指在输入电压波动和输出电压改变时调整管应始终工作在放大状态。研究电路的工作情况可知，在输入电压最低且输出电压最高时管压降最小，若此时管压降大于饱和管压降，则在其他情況下晶体管一定会工作在放大区。用公式表示为UCEmin=UImin-UOmax＞UCES，即

代入数据为

得出

故UI至少应取25V。

二、三端式集成稳压器

W7800系列和W7900系列三端稳压器输出固定的直流电压。

W7800系列输出固定的正电压，有5V、8V、12V、15V、18V、24V 等。例如，W7815的输出电压为15V，最高输入电压为35V，最小输入、输出电压差为2V，加散热器时最大输出电流可达2.2A，输出电阻为0.03～0.15Ω，电压变化率为0.1%～0.2%。

W7900系列输出固定的负电压，其参数与W7800系列基本相同。

三端稳压器的外形和端子排列如图6-17所示，按端子编号，W7800系列的端子1为输入端，2为输出端，3为公共端。

图6-17　三端稳压器外形和端子排列图

使用时，三端稳压器的基本应用电路如图6-18所示。具有正负两组电压的输出电路如图6-19所示。

图6-18　W7800系列的基本应用电路

图6-19　正负输出稳压电路

通过学习本项目内容，读者应重点理解和掌握以下知识。

（1）直流稳压电源由整流电路、滤波电路和稳压电路组成。整流电路将交流电压变为脉动的直流电压，滤波电路可減小脉动使直流电压平滑，稳压电路的作用是在电网电压波动或负载电流变化时保持输出电压基本不变。

（2）整流电路有半波和全波两种，最常用的是单相桥式整流电路。分析整流电路时，应分别判断在变压器副边电压正、负半周两种情况下二极管的工作状态（导通或截止），从而得到负载两端电压、二极管端电压及其电流波形，并由此得到输出电压和电流的平均值，以及二极管的最大整流平均电流和所承受的最高反向电压。

（3）滤波电路通常有电容滤波、电感滤波和复式滤波。本项目重点介绍电容滤波电路。在RC=（3～5）T/2时，滤波电路的输出电压约为1.2U2。负载电流较大时，应采用电感滤波；对滤波效果要求较高时，应采用复式滤波。(www.xing528.com)

（4）在串联型线性稳压电源中，调整管、基准电压电路、输出电压取样电路和比较放大电路是基本组成部分。电路中引入了深度电压负反馈，从而使输出电压稳定。基准电压的稳定性和反馈深度是影响输出电压稳定性的重要因素。

（5）在集成稳压器和实用的分立元件稳压电路中，还常包含过流、过压、调整管安全区和芯片过热等保护电路。集成稳压器仅有输入端、输出端和公共端（或调整端）3个引出端，故称为三端稳压器，使用方便，稳压性能好。W7800（W7900）系列为固定式稳压器，W7800系列输出正电压、W7900系列输出负电压。

一、填空题

1.功率较小的直流电源多数是将交流电经过_________、_________、_________和_________后获得。

2.单相________电路用来将交流电压变换为单相脉动的直流电压。

3.直流电源中的滤波电路用来滤除整流后单相脉动电压中的_________成分，使其成为平滑的________。

4.直流电源中的稳压电路作用是当_________波动、_________变化或_________变化时，维持输出直流电压的稳定。

5.直流电源中，除电容滤波电路外，其他形式的滤波电路包括______、________等。

6.桥式整流电容滤波电路中，滤波电容值增大时，输出直流电压_________，负载电阻值增大时，输出直流电压_________。

7.串联型稳压电路由________、________、________和________等部分组成。

8.串联型稳压电路中比较放大电路的作用是将_________电压与_________电压的差值进行________。

9.CW7805的输出电压为_________，额定输出电流为_________；CW79M24的输出电压为________，额定输出电流为________。

二、计算分析题

1.单相桥式整流电容滤波电路如图6-20所示，已知交流电源频率f=50Hz，u2的有效值U2=15V，RL=50Ω。试估算：

（1）输出电压UO的平均值；

（2）流过二极管的平均电流；

（3）二极管承受的最高反向电压；

（4）滤波电容C 容量的大小。

图6-20　单相桥式整流电容滤波电路

2.图6-21所示的半波整流电路中，已知RL=100Ω，u2=20sinωt（V），试求输出电压的平均值UO、流过二极管的平均电流IVD及二极管承受的反向峰值电压URM的大小。

图6-21　半波整流电路

3.画出单相桥式整流电容滤波电路，若要求UO=20V，IO=100mA，试求：

（1）变压器副边电压有效值U2、整流二极管参数IF和URM；

（2）滤波电容容量和耐压；

（3）电容开路时输出电压的平均值；

（4）负载电阻开路时输出电压的大小。

（1）求整流二极管承受的最大反向电压。

（2）说明电容C 的作用，并求UI的大小。

（3）求UO的可调范围（求出最大值和最小值）。

图6-22　题4电路图

5.分析图6-23所示电路。试问：

（1）说明由哪几部分组成？ 各组成部分包括哪些元件；

（2）在图中标出UⅠ和UO的极性；

（3）求出UⅠ和UO的大小。

图6-23　题5电路图